книги / Электроприводы с полупроводниковым управлением. Системы постоянного тока с кремниевыми выпрямителями
.pdfБИБЛИОТЕКА ПО АВТОМАТИКЕ
Выпуск 231
Г. И. АНДРЕЕВ, В. А. НАЙДИС
ЭЛЕКТРОПРИВОДЫ С ПОЛУПРОВОДНИКОВЫМ
УПРАВЛЕНИЕМ
СИСТЕМЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА С КРЕМНИЕВЫМИ ВЫПРЯМИТЕЛЯМИ
Под редакцией М. Г. ЧИЛИКИНА
« Э Н Е Р Г И Я »
МОСКВА 1967
6П2.12 УДК 62-83 А 65
Р Е Д А К Ц И О Н Н А Я К О Л Л Е Г И Я :
И.В. Антик, А. И. Бертинов, С. Н. Вешеневский, А. А. Варанов,
Д.А. Жучков, Л. М. Закс, Н. Е. Кобринский, В. С. Малов,
В.Э. Низе, О. В. Слежановский, Б. С. Сотсков, Ф. Е. Темников,
А.С. Шаталов
Андреев Г. И. и Найдис В. А.
А 65 Системы постоянного тока с кремниевыми выпрямите лями. Под ред. М. Г. Чиликина. М., «Энергия», 1967.
88 с. с илл. (Б-ка по автоматике. Выл. 231. Электро приводы с полупроводниковым управлением). 12 000 экз. 30 к.
В книге приводятся результаты работ по исследованию и вне
дрению системы |
приводов постоянного ,тока |
с преобразователями |
на кремниевых |
выпрямителях. Рассмотрены |
схемы комплектных |
регулируемых электроприводов серии ПКВ, их статические характе ристики и переходные процессы, а также энергетические показате ли. Рассмотрены модификации с магнитными усилителями в цепи возбуждения; трансформаторные и бестрансформаторные схемы, а также системы с тиристорным (возбудителем. Книга предназна чена для инженеров и техников-электриков, работающих в области электропривода. Книга может быть полезна студентам, специализи
рующимся в области электропривода |
и автоматики. |
3-3-13 |
6П2.12 |
239-66 |
|
Андреев Геннадий Ильич, Найдис Вениамин Абрамович
Системы постоянного тока с кремниевыми выпрямителями.
Редактор В. А. Елисеев |
Техн. редактор Я. В. Сергеев |
|
Сдано в набор 19/XII 1966 г. |
Подписано к печати 22/Ш 1967 г. |
Т-01838 |
Формат 84хЮ87за |
Бумага типографская мелованная |
|
Уел. печ. л. 4,62 |
|
Уч.-изд. 5,59 |
Тираж 12 000 экз. |
Цена 30 коп. |
Заказ 2770 |
Издательство .Энергия", Москва, Ж-П4, Шлюзовая наб., 10.
Московская типография № 10 Главшолиграфпрома Комитета то печати при Совете Министров СССР.
Шлюзовая наб., 10.
О Г Л А В Л Е Н И Е
П р е д и с л о в и е ................................................................................... |
|
|
|
|
|
|
|
4 |
|
Глава первая. Характеристики привода неуправляемый крем |
5 |
||||||||
ниевый |
выпрямитель — д в и г а т ел ь .................................. |
|
|||||||
1. Скоростные характеристики ........................................ |
|
5 |
|||||||
2. Пуск и торможение привода с кремниевыми вы |
8 |
||||||||
прямителями |
................................................................... |
|
в ы п р я м и тел я |
|
|||||
3. Защита |
кремниевого |
|
18 |
||||||
4. Основные элементы приводов с кремниевыми выпря |
27 |
||||||||
мителями |
.................................................................................. |
|
|
|
|
|
|||
Глава вторая.Основное исполнение приводов с кремниевыми |
31 |
||||||||
выпрямителями ......................................................серии П К В |
|
|
|||||||
5. Технические |
данные |
приводов серии (ПКВ . . . |
31 |
||||||
6. Выбор аппаратуры и расчет элементов схемы элек |
32 |
||||||||
троприводов .................................................. |
серии |
П |
К |
В |
|
||||
7. Пример расчета характеристик электропривода типа |
43 |
||||||||
ПКВ-4 мощностью ................................................. |
|
14 |
к е т |
|
|||||
Глава третья. Модификации приводов с кремниевыми выпря |
59 |
||||||||
мителями |
....................................................................... |
|
|
|
|
|
|
||
8. Приводы с применением в цепи возбуждения двига |
59 |
||||||||
теля |
магнитных ........................................... |
у с и л и т е л е й |
напряжения |
||||||
9. Приводы |
со |
ступенчатым |
изменением |
|
|||||
на якоре двигателя и полупроводниково-магнитным |
65 |
||||||||
коммутатором в |
цепи |
возбуждения |
. . . . |
10.Приводы с кремниевыми выпрямителями с пита нием обмотки возбуждения двигателя от тиристор
ного |
преобразователя ............................................... |
70 |
Литература |
. , « • . . . . . . . . . |
87 |
ПРЕДИСЛОВИЕ
Появление за последние годы новых типов вентилей неуправляе мых (кремниевых диодов) и особенно управляемых (тиристоров) определило новый шаг развития регулируемых электроприводов по стоянного и переменного тока.
В настоящей книге рассмотрены приводы постоянного тока мощ ностью до 100 кет с питанием двигателя от неуправляемых кремние вых выпрямителей и регулированием его скорости вращения за счет ослабления поля, разработанные авторами в Экспериментальном на учно-исследовательском институте металлорежущих станков (ЭНИМС). Эти приводы начинают находить применение в металло режущих станках, кузнечно-прессовых и других рабочих машинах взамен приводов по системе Г—Д при требованиях небольших диа пазонов изменения скорости вращения и постоянной предельной мощ ности.
Основное исполнение привода, названное серией ПКВ (приводы с кремниевыми выпрямителями), предусматривает трехфазную мосто вую схему выпрямления с использованием в цепи возбуждения дви гателя реостата при отсутствии обратных связей.
Потребность промышленности в приводах с более жесткими тре бованиями к стабильности скорости вращения привела к разработке модификаций привода ПКВ (например, установке в цепи возбужде ния магнитных усилителей или тиристоров и введении обратной свя зи по скорости или току с воздействием на цепь возбуждения дви гателя).
Разрабатываемые в настоящее время большим числом организа ций (в том числе и ЭНИМС) электроприводы постоянного тока с при менением тиристоров для питания цепи якоря двигателя имеют по сравнению с приводами серии iHiKB ряд серьезных преимуществ (ши рокий диапазон регулирования, безреостатный пуск, токоограничение), но более сложны и дороги. Кроме того, энергетические показа тели (к. п. д. и коэффициент мощности) приводов серии ПКВ выше тиристорных, что особенно важно для механизмов главного движения металлорежущих станков.
В книге также рассмотрены вопросы электропривода, опреде ляемые питанием двигателя постоянного тока от неуправляемого Кремниевого выпрямителя, подробно описаны разработанная серия электроприводов, применяемые в них приборы и аппараты и получен ные технические характеристики.
Авторы будут благодарны лицам, которые пришлют свои замеча ния по адресу: Москва, Ж-114, Шлюзовая наб., 10, издательство «Энергия».
Авторы
ГЛАВА ПЕРВАЯ
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРИВОДА НЕУПРАВЛЯЕМЫЙ КРЕМНИЕВЫЙ ВЫПРЯМИТЕЛЬ — ДВИГАТЕЛЬ
Приводы, построенные по системе неуправляемый кремниевый выпрямитель — двигатель, являются наиболее простыми регулируе мыми приводами постоянного тока с изменением скорости вращения путем ослабления поля.
В механизмах главного движения металлорежущих станков и других рабочих машин, в которых необходимо изменять скорость вращения при предельной постоянной мощности, этот способ регули рования (путем ослабления поля) наиболее рационален, так как обеспечивает наилучшие энергетические показатели и малые габари ты преобразователя.
До настоящего времени в указанных механизмах находит широ кое применение система Г—Д, статические и динамические харак теристики которой подробно описаны в литературе по электропри воду.
Питание двигателя от статического полупроводникового цреоб-* разователя сказывается на характеристиках регулируемого электро привода в связи с зависимостью выходного напряжения, подаваемого на двигатель, от параметров вентилей и схемы выпрямления. Поэто му целесообразно подробно рассмотреть характеристики привода с двигателем постоянного тока, питаемым от неуправляемого крем ниевого выпрямителя.
1. СКОРОСТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Внешняя характеристика кремниевого преобразователя, выпол ненного по трехфазной мостовой схеме, может быть записана в виде
do |
о |
где Ud — средняя величина выпрямленного напряжения при на грузке /<*;
Udo — средняя величина выпрямленного напряжения при холо стом ходе преобразователя,
^0=1,35 U20; |
( 2) |
5
^20 — действующее значение линейного напряжения вторичной
. |
обмотки трансформатора; |
|
P=/d//dH — коэффициент загрузки |
привода; |
|
ик.а — активная составляющая |
напряжения короткого замыка |
|
|
ния трансформатора, %; |
|
«к — напряжение короткого замыкания трансформатора, |
%. |
||
При выводе выражения (1) приняты следующие допущения: |
|||
1. |
Падение напряжения в обмотках трансформатора определяет |
||
ся по формуле |
|
|
|
|
Дит=,рцк а. |
(3) |
|
При этом в формуле для полного падения напряжения в транс |
|||
форматоре [Л. 27] |
|
|
|
= Р |
[«к, a COS <f2 + Як.р Sin <J>2 - |
(Як.р COS <p2—UF.a Sin <f2)2 |
(4) |
200 |
пренебрегается за малостью последним слагаемым и не учитывается сдвиг, вносимый коммутацией вентилей, а принимается, что первые гармонические тока и напряжения во вторичной цепи трансформато ра совпадают по фазе, т. е. угол сдвига фаз между током и напряже нием во вторичной обмотке трансформатора фг, зависящий от угла коммутации у , равен нулю (ф2~0).
Активная составляющая напряжения короткого |
замыкания |
«к.а, %, определяется по величине потерь мощности Р к |
в трансфор |
маторе при коротком замыкании, которые обычно известны или на ходятся из опыта короткого замыкания:
Р к |
(5) |
|
“ К-а — 106'н ’ |
||
|
||
где 5 Н— номинальная мощность трансформатора, ква. |
замыкания |
|
Индуктивная составляющая напряжения короткого |
||
трансформатора ик.р, %, определяется из выражения |
|
|
“*.р= V |
(6> |
2. Пренебрегается падением напряжения на кремниевых венти лях. При включении в плече выпрямителя одного вентиля падение напряжения не превышает 0,6 в при протекании номинального тока
вентиля.
3. Снижение выпрямленного напряжения Дt/K, возникающее в ре зультате процесса коммутации, определяется по формуле
At/к |
(7) |
|
Udо |
||
|
At/K может быть определена и по следующему выражению [Л. 1]:
пгХт |
г |
(8) |
At/к = 2л |
Id; |
6
А — относительный коэффициент наклона внешней характеристики выпрямителя;
т— число фаз;
ХТ— индуктивное сопротивление рассеяния трансформатора, приве
денное ко вторичной обмотке,
у |
U2р |
t |
(9) |
|
т== 100 уз и* |
||||
|
||||
/2н — номинальный вторичный ток трансформатора. |
|
|||
Для трехфазной мостовой |
схемы |
выпрямления т —6; А = 0,5 |
[Л. 1].
Скоростные характеристики двигателя постоянного тока при пи тании его якоря от неуправляемого кремниевого выпрямителя и из
менении скорости вращения |
путем ослабления магнитного |
потока |
|
двигателя определяются выражением |
|
|
|
Udo |
IdR'э |
IdR'B |
(10) |
Ш |
к Ж ~ ~ Пв |
кеф ’ |
|
где по — скорость идеального холостого хода при /<j=0 и магнитном потоке Фо (без учета прерывистости тока);
Ra — эквивалентное сопротивление якорной цепи с учетом внеш ней характеристики выпрямителя,
2
Я® = Гя.д + Лн |
200 |
* |
0 0 |
гя.д — сопротивление цепи якоря двигателя; Ru — номинальное сопротивление привода;
( 12)
/ я.н — номинальный ток двигателя;
ke— конструктивный коэффициент э. д. с. двигателя.
При расчете скоростных характеристик по уравнению (10) при нято допущение, что намагничивающая сила (н. с.) сериесной обмот ки двигателя полностью компенсирует влияние реакции якоря. Одна ко практически двигатель проектируется с некоторой перекомпенсацией, поэтому экспериментальные скоростные характеристики приво да имеют несколько большую крутизну, чем расчетные характеристи ки, кроме того, изменение нацряжения вследствие нагрузки изменяет поток двигателя.
Для построения уточненной скоростной характеристики опреде ляется результирующая н. с. по выражению
-^рез — F B ~\~FC— |
(13) |
где Fa — н. с. шунтовой |
обмотки |
с учетом изменения |
напряжения |
с изменением нагрузки, |
|
|
|
F, |
^ do — 1я (RIB— Гя.д) Wв, |
(14) |
|
|
Гв + |
Ru |
|
7
где rB, R B— сопротивления обмотки возбуждения |
и регулятора, |
Fс — н. с. сериесной обмотки, |
|
FC—I HWC'I |
(15) |
Fn — н. с. реакции якоря, которая для двигателей мощностью до 25 кет ори Пц—1 500 об/мин может быть определена
из выражения [Л. 17] |
|
|
= 0,07 |
/я^я |
(16) |
2а-2р* |
По результирующей н. с. и кривой намагничивания определяется результирующий магнитный поток Ф рез, по которому определяется скорость двигателя для заданной нагрузки / я по уравнению (10).
Особенность скоростных характеристик при питании от статиче ского полупроводникового выпрямителя состоит еще и в том, что они при малых нагрузках (для трехфазной мостовой схемы при /<*< <0,1 Idn) в зоне прерывистых токов становятся нелинейными с рез ким возрастанием скорости вращения двигателя по мере уменьше ния его нагрузки.
Поэтому построение скоростных характеристик привода по урав нению (10) справедливо лишь для зоны непрерывных токов. Следует отметить, что для большинства станков и других рабочих машин ука занный предел нагрузки является минимальным для привода.
2. ПУСК И ТОРМОЖЕНИЕ ПРИВОДА С КРЕМНИЕВЫМИ ВЫПРЯМИТЕЛЯМИ
Пуск двигателя в приводе с неуправляемым кремниевым выпря мителем для ограничения тока вентилей и двигателя необходимо производить ступенчато либо путем переключения напряжения пита ния, либо, что обычно делается, путем включения сопротивления в цепь якоря двигателя.
Вопросы расчета пусковых процессов питаемого от сети двигате ля постоянного тока подробно освещены в литературе [Л. 3, 4]. Нали чие статического преобразователя требует подстановки в расчетные формулы вместо сопротивления якорной цепи эквивалентного сопро тивления R3, определяемого по уравнению (11).
Необходимо также отметить ограничения, которые ставят усло вия пуска двигателя в зависимость от величины его допустимой ста тической нагрузки при разгоне.
На основании известных соотношений между величинами тока переключения при реостатном пуске можно получить примерное вы ражение для предельной статической нагрузки при заданном числе
пусковых ступеней г\ |
|
|
|
|
/,» |
0,5(1 —т)в) /1* |
(17) |
|
/с* < |
к3 |
|
|
|
||
где |
г — число ступеней сопротивлений; |
|
/i* = /i//H— относительное значение допустимого максимального тока переключения при пуске двигателя;
ka—/2/7ц — коэффициент запаса, обычно принимаемый равным 1,2.
8
При двухступенчатом пуске (z = 2 и Л* = 2 ), что принимается обычно для двигателей серии П, допустимое значение статической на грузки при пуске привода должно быть не более 0,7/н.
Следует отметить, что для большинства механизмов главного движения станков и других рабочих машин указанная величина до пустимой нагрузки является приемлемой. В приводе с неуправляе мым кремниевым выпрямителем и изменением скорости вращения двигателя путем ослабления магнитного потока значительный инте рес представляют процессы разгона и торможения двигателя при ослабленном поле возбуждения.
С целью упрощения рассмотрения вопроса не учитывается демп фирующее влияние обмоток и ферромагнитных масс на скорость из менения магнитного потока и принимается, что магнитный поток из меняется с той же постоянной времени, что и ток возбуждения.
При ослаблении магнитного потока двигателя (вследствие введе ния в цепь обмотки возбуждения сопротивления регулятора можно записать следующие уравнения в относительных единицах, описываю щие переходный процесс:
|
Тв |
|
(1+7г)—1; |
|
<18) |
|
|
|
|
|
___t_ |
|
|
Ф* = |
Фкон* |
(Ф*он* |
Фнач*)£ |
\ |
(19) |
|
|
т* л ~ |
+ 1я. = |
1-Ф а ; |
|
(20) |
|
|
Ти dn% . |
Мс* |
|
(21) |
||
|
Ф* |
dt |
‘я* |
Ф* |
|
|
|
|
|
||||
При наличии разрядного вентиля в цепи обмотки возбуждения |
||||||
уравнение (18) имеет вид: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
08') |
В уравнениях |
(18) —(21) |
приняты следующие |
|
обозначения: |
г в*, ’я*» Ф*, п*> Ale*— относительные значения тока возбуждения, тока якоря, магнитного потока, скорости и статического момента дви гателя:
■/в
**я .
*Я* = / |
я.к |
> |
1 |
|
ф
Ф * = Ж |
' > |
(22) |
|
п |
|
п* = ■ п Г |
|
|
Мс, : |
Мс |
|
М «, |
|
9
1в.н — номинальный ток возбуждения двигателя,
|
i/ В .Н |
5*5—^ ' в -> |
|
(23) |
|
Фн — номинальный магнитный поток двигателя, |
определяется по кри |
||||
вой намагничивания или по выражению |
|
|
|||
Фн |
Се _Г30 (£/н — / я.нГя.д)*2fl # |
(24) |
|||
~~ |
тя-2рпн |
9 |
|||
|
|
||||
«о — скорость идеального |
холостого хода двигателя [см. урав |
нение (10)];
/я.к» Л4*.з — ток |
и момент двигателя при коротком замыкании, |
||
|
/ я .к = |
^ ; |
(25) |
|
•Мц.З -- &Д|Фн^Я.К -- С^П.КУ |
(26) |
|
|
|
м1 |
|
kм — конструктивный коэффициент момента двигателя; |
|||
Т в— собственная |
электромагнитная |
постоянная |
времени обмотки воз |
буждения , |
|
|
|
|
Т в= ^ - ; |
(27) |
|
L B, гв— индуктивность и активное |
сопротивление обмотки возбуж |
||
дения; |
|
|
|
а — коффициент, учитывающий |
изменение постоянной времени Т в |
||
при введении сопротивления регулятора |
R B: |
а ~ Г„ +
Тв — электромагнитная постоянная времени якорной цепи двигателя,
т |
Ln.ц |
^я.д + |
2LTв |
1в |
Rw |
Яр |
, 1 |
£я.ц — суммарная индуктивность якорной цепи двигателя; £я.д — индуктивность якоря двигателя,
г |
Л „ Г/в-30 |
я . д — |
, 6 / я н л п вр ’ |
LT —индуктивность трансформатора,
х т
Чи
w — угловая частота;
Ти — электромеханическая постоянная времени привода,
Тм = ; /Я» 9 ,55сеСд|
/ — момент инерции электропривода.
(28)
(29)
(30)
(31)
10